1.Úvod
Rádiofrekvenčné (RF) získavanie energie (RFEH) a radiačný bezdrôtový prenos energie (WPT) pritiahli veľký záujem ako metódy na dosiahnutie udržateľných bezdrôtových sietí bez batérií. Rektény sú základným kameňom systémov WPT a RFEH a majú významný vplyv na jednosmerný prúd dodávaný do záťaže. Anténne prvky rectenna priamo ovplyvňujú účinnosť zberu, ktorá môže meniť zberaný výkon o niekoľko rádov. Tento článok skúma návrhy antén používaných v aplikáciách WPT a okolitých RFEH. Hlásené rektény sú klasifikované podľa dvoch hlavných kritérií: šírky pásma impedancie usmerňujúcej antény a vyžarovacích charakteristík antény. Pre každé kritérium sa určuje a porovnáva hodnota zásluh (FoM) pre rôzne aplikácie.
WPT navrhol Tesla na začiatku 20. storočia ako metódu prenosu tisícov konských síl. Termín rectenna, ktorý opisuje anténu pripojenú k usmerňovaču na získavanie RF energie, sa objavil v 50-tych rokoch minulého storočia pre aplikácie vesmírneho mikrovlnného prenosu energie a na napájanie autonómnych dronov. Všesmerové WPT s dlhým dosahom je obmedzené fyzikálnymi vlastnosťami média šírenia (vzduchu). Komerčné WPT sa preto obmedzuje hlavne na nežiarivý prenos energie v blízkom poli pre bezdrôtové nabíjanie spotrebnej elektroniky alebo RFID.
Keďže spotreba energie polovodičových zariadení a bezdrôtových senzorových uzlov stále klesá, stáva sa vhodnejšie napájať senzorové uzly pomocou okolitého RFEH alebo pomocou distribuovaných nízkoenergetických všesmerových vysielačov. Bezdrôtové napájacie systémy s mimoriadne nízkou spotrebou sa zvyčajne skladajú z frontendu na získavanie RF, správy jednosmerného napájania a pamäte a mikroprocesora a vysielača s prijímačom s nízkou spotrebou.
Obrázok 1 zobrazuje architektúru bezdrôtového uzla RFEH a bežne uvádzané RF front-end implementácie. Úplná účinnosť bezdrôtového energetického systému a architektúra synchronizovanej bezdrôtovej informačnej siete a siete na prenos energie závisí od výkonu jednotlivých komponentov, ako sú antény, usmerňovače a obvody správy napájania. Pre rôzne časti systému bolo vykonaných niekoľko prieskumov literatúry. Tabuľka 1 sumarizuje fázu konverzie energie, kľúčové komponenty pre efektívnu konverziu energie a súvisiace prehľady literatúry pre každú časť. Najnovšia literatúra sa zameriava na technológiu konverzie energie, topológie usmerňovačov alebo sieťové RFEH.
Obrázok 1
Návrh antény sa však v RFEH nepovažuje za kritický komponent. Hoci sa v niektorej literatúre uvažuje o šírke pásma a účinnosti antény z celkového hľadiska alebo z hľadiska konkrétneho návrhu antény, ako sú miniaturizované alebo nositeľné antény, vplyv určitých parametrov antény na príjem energie a účinnosť konverzie nie je podrobne analyzovaný.
Tento článok skúma techniky návrhu antény v rectennach s cieľom odlíšiť výzvy špecifického návrhu antény RFEH a WPT od návrhu štandardnej komunikačnej antény. Antény sa porovnávajú z dvoch hľadísk: prispôsobenie impedancie medzi koncovými bodmi a charakteristiky žiarenia; v každom prípade je FoM identifikovaná a kontrolovaná v najmodernejších (SoA) anténach.
2. Šírka pásma a prispôsobenie: RF siete iné ako 50Ω
Charakteristická impedancia 50Ω je skorým zvážením kompromisu medzi útlmom a výkonom v aplikáciách mikrovlnného inžinierstva. V anténach je impedančná šírka pásma definovaná ako frekvenčný rozsah, v ktorom je odrazený výkon menší ako 10 % (S11 < − 10 dB). Keďže nízkošumové zosilňovače (LNA), výkonové zosilňovače a detektory sú zvyčajne navrhnuté so vstupnou impedanciou 50 Ω, tradične sa odkazuje na zdroj 50 Ω.
V rectenne je výstup z antény privádzaný priamo do usmerňovača a nelinearita diódy spôsobuje veľké kolísanie vstupnej impedancie, pričom dominuje kapacitná zložka. Za predpokladu 50Ω antény je hlavnou výzvou navrhnúť dodatočnú RF prispôsobenú sieť na transformáciu vstupnej impedancie na impedanciu usmerňovača pri frekvencii záujmu a jej optimalizáciu pre konkrétnu úroveň výkonu. V tomto prípade je potrebná impedančná šírka pásma medzi koncovými bodmi, aby sa zabezpečila efektívna konverzia RF na jednosmerný prúd. Preto, hoci antény môžu dosiahnuť teoreticky nekonečnú alebo ultraširokú šírku pásma pomocou periodických prvkov alebo samokomplementárnej geometrie, šírka pásma rectenna bude obmedzená sieťou prispôsobenia usmerňovača.
Bolo navrhnutých niekoľko topológií rectenna na dosiahnutie jednopásmového a viacpásmového zberu alebo WPT minimalizovaním odrazov a maximalizáciou prenosu energie medzi anténou a usmerňovačom. Obrázok 2 zobrazuje štruktúry hlásených topológií rektenna, kategorizované podľa ich architektúry impedančného prispôsobenia. Tabuľka 2 ukazuje príklady vysokovýkonných prijímačov s ohľadom na koncovú šírku pásma (v tomto prípade FoM) pre každú kategóriu.
Obrázok 2 Topológie Rectenna z pohľadu prispôsobenia šírky pásma a impedancie. a) Jednopásmový prijímač so štandardnou anténou. b) Viacpásmový prijímač (zložený z viacerých vzájomne prepojených antén) s jedným usmerňovačom a prispôsobenou sieťou na pásmo. (c) Širokopásmový prijímač s viacerými RF portami a samostatnými zodpovedajúcimi sieťami pre každé pásmo. d) Širokopásmový prijímač so širokopásmovou anténou a širokopásmovou prispôsobenou sieťou. (e) Jednopásmová rektenna využívajúca elektricky malú anténu priamo prispôsobenú usmerňovaču. (f) Jednopásmová, elektricky veľká anténa s komplexnou impedanciou na konjugáciu s usmerňovačom. g) Širokopásmový prijímač s komplexnou impedanciou na konjugáciu s usmerňovačom v rozsahu frekvencií.
Zatiaľ čo WPT a okolité RFEH z vyhradeného napájacieho zdroja sú rôzne aplikácie pre prijímače, dosiahnutie end-to-end zhody medzi anténou, usmerňovačom a záťažou je základom pre dosiahnutie vysokej účinnosti konverzie výkonu (PCE) z hľadiska šírky pásma. Napriek tomu sa WPT rectenna viac zameriavajú na dosiahnutie vyššieho prispôsobenia kvalitatívnych faktorov (nižšie S11), aby sa zlepšilo jednopásmové PCE na určitých úrovniach výkonu (topológie a, e a f). Široká šírka pásma jednopásmového WPT zlepšuje odolnosť systému voči rozladeniu, výrobným chybám a parazitným obalom. Na druhej strane, RFEH rectennas uprednostňujú viacpásmovú prevádzku a patria do topológií bd a g, pretože výkonová spektrálna hustota (PSD) jedného pásma je vo všeobecnosti nižšia.
3. Obdĺžnikový dizajn antény
1. Jednofrekvenčná rectenna
Návrh antény jednofrekvenčnej rectenny (topológia A) je založený hlavne na štandardnom dizajne antény, ako je lineárna polarizácia (LP) alebo kruhová polarizácia (CP) vyžarujúca plocha na základnej rovine, dipólová anténa a invertovaná F anténa. Diferenciálne pásmo je založené na kombinačnom poli DC konfigurovanom s viacerými anténnymi jednotkami alebo zmiešanou jednosmernou a vysokofrekvenčnou kombináciou viacerých prepojovacích jednotiek.
Keďže mnohé z navrhovaných antén sú jednofrekvenčné antény a spĺňajú požiadavky jednofrekvenčného WPT, pri hľadaní environmentálneho viacfrekvenčného RFEH sa viaceré jednofrekvenčné antény kombinujú do viacpásmových rectennas (topológia B) so vzájomným potlačením väzby a nezávislá jednosmerná kombinácia za obvodom správy napájania, aby boli úplne izolované od obvodu získavania a konverzie RF. To si vyžaduje viacero obvodov správy napájania pre každé pásmo, čo môže znížiť účinnosť zosilňovacieho meniča, pretože jednosmerný výkon jedného pásma je nízky.
2. Viacpásmové a širokopásmové RFEH antény
Environmentálna RFEH sa často spája s viacpásmovou akvizíciou; preto boli navrhnuté rôzne techniky na zlepšenie šírky pásma štandardných návrhov antén a spôsobov vytvárania dvojpásmových alebo pásmových anténnych polí. V tejto časti preskúmame vlastné návrhy antén pre RFEH, ako aj klasické viacpásmové antény s potenciálom na použitie ako rectennas.
Monopolné antény koplanárneho vlnovodu (CPW) zaberajú menšiu plochu ako mikropáskové patch antény pri rovnakej frekvencii a produkujú LP alebo CP vlny a často sa používajú pre širokopásmové environmentálne rektény. Odrazové roviny sa používajú na zvýšenie izolácie a zlepšenie zisku, výsledkom čoho sú vyžarovacie vzory podobné patchovým anténam. Štrbinové koplanárne vlnovodné antény sa používajú na zlepšenie šírky impedančného pásma pre viaceré frekvenčné pásma, ako napríklad 1,8–2,7 GHz alebo 1–3 GHz. Spájané štrbinové antény a patch antény sa tiež bežne používajú vo viacpásmových konštrukciách rectenna. Obrázok 3 zobrazuje niektoré uvádzané viacpásmové antény, ktoré využívajú viac ako jednu techniku zlepšenia šírky pásma.
Obrázok 3
Prispôsobenie impedancie antény a usmerňovača
Priradenie 50Ω antény k nelineárnemu usmerňovaču je náročné, pretože jej vstupná impedancia sa značne líši v závislosti od frekvencie. V topológiách A a B (obrázok 2) je spoločnou sieťou zhody LC zhoda s použitím sústredených prvkov; relatívna šírka pásma je však zvyčajne nižšia ako väčšina komunikačných pásiem. Jednopásmové prispôsobovanie sa bežne používa v mikrovlnných pásmach a pásmach milimetrových vĺn pod 6 GHz a uvádzané milimetrové vlnové rektény majú prirodzene úzku šírku pásma, pretože ich šírka pásma PCE je obmedzená výstupným harmonickým potlačením, čo ich robí obzvlášť vhodnými pre jednopásmové pásmo WPT aplikácie v nelicencovanom pásme 24 GHz.
Rektény v topológiách C a D majú zložitejšie zodpovedajúce siete. Pre širokopásmové prispôsobenie boli navrhnuté plne distribuované siete prispôsobenia liniek s RF blokom/jednosmerným skratom (priepustný filter) na výstupnom porte alebo jednosmerným blokovacím kondenzátorom ako spätnou cestou pre harmonické diódy. Komponenty usmerňovača môžu byť nahradené kondenzátormi s plošnými spojmi (PCB), ktoré sú syntetizované pomocou komerčných nástrojov na automatizáciu elektronického dizajnu. Iné uvádzané širokopásmové prispôsobené siete kombinujú sústredené prvky na prispôsobenie nižším frekvenciám a distribuované prvky na vytvorenie RF skratu na vstupe.
Zmena vstupnej impedancie pozorovanej záťažou cez zdroj (známa ako technika source-pull) sa použila na návrh širokopásmového usmerňovača s relatívnou šírkou pásma 57 % (1,25–2,25 GHz) a o 10 % vyšším PCE v porovnaní so sústredenými alebo distribuovanými obvodmi. . Aj keď sú vyhovujúce siete zvyčajne navrhnuté tak, aby zodpovedali anténam v celej šírke pásma 50 Ω, v literatúre sú správy, že širokopásmové antény boli pripojené k úzkopásmovým usmerňovačom.
Hybridné sústredené prvky a siete s distribuovanými prvkami boli široko používané v topológiách C a D, pričom sériové tlmivky a kondenzátory sú najčastejšie používanými sústredenými prvkami. Tieto sa vyhýbajú zložitým štruktúram, ako sú interdigitálne kondenzátory, ktoré vyžadujú presnejšie modelovanie a výrobu ako štandardné mikropáskové vedenia.
Vstupný výkon do usmerňovača ovplyvňuje vstupnú impedanciu v dôsledku nelinearity diódy. Preto je rectenna navrhnutá tak, aby maximalizovala PCE pre konkrétnu úroveň vstupného výkonu a impedanciu záťaže. Keďže diódy majú primárne kapacitnú vysokú impedanciu pri frekvenciách pod 3 GHz, širokopásmové rektenny, ktoré eliminujú prispôsobovacie siete alebo minimalizujú zjednodušené prispôsobovacie obvody, sa zamerali na frekvencie Prf>0 dBm a nad 1 GHz, pretože diódy majú nízku kapacitnú impedanciu a dajú sa dobre prispôsobiť k anténe, čím sa vyhneme konštrukcii antén so vstupnými reaktanciami >1 000Ω.
Adaptívne alebo rekonfigurovateľné prispôsobenie impedancie bolo vidieť v CMOS rectennas, kde sa porovnávacia sieť skladá z kondenzátorových bánk a induktorov na čipe. Statické CMOS zodpovedajúce siete boli tiež navrhnuté pre štandardné 50Ω antény, ako aj spoločne navrhnuté slučkové antény. Uvádza sa, že pasívne výkonové detektory CMOS sa používajú na ovládanie prepínačov, ktoré smerujú výstup antény do rôznych usmerňovačov a zodpovedajúcich sietí v závislosti od dostupného výkonu. Bola navrhnutá rekonfigurovateľná prispôsobovacia sieť využívajúca sústredené laditeľné kondenzátory, ktorá je vyladená jemným doladením pri meraní vstupnej impedancie pomocou vektorového sieťového analyzátora. V rekonfigurovateľných mikropáskových porovnávacích sieťach sa tranzistorové prepínače s efektom poľa použili na nastavenie párovacích stubov, aby sa dosiahli dvojpásmové charakteristiky.
Ak sa chcete dozvedieť viac o anténach, navštívte:
Čas odoslania: august-09-2024
